Wettelijke Onderzoekstaken Natuur & Milieu
Complexiteit van WURmodellen
en bestanden
Toetsing van de EMC v1.0
G.A.K. van Voorn, P.W. Bogaart, M. Knotters & D.J.J. Walvoort
De reeks ‘Werkdocumenten’ bevat tussenresultaten van het onderzoek van de uitvoerende instellingen
voor de unit Wettelijke Onderzoekstaken Natuur & Milieu (WOT Natuur & Milieu). De reeks is een intern
communicatiemedium en wordt niet buiten de context van de WOT Natuur & Milieu verspreid. De
inhoud van dit document is vooral bedoeld als referentiemateriaal voor collega-onderzoekers die
onderzoek uitvoeren in opdracht van de WOT Natuur & Milieu. Zodra eindresultaten zijn bereikt, worden
deze ook buiten deze reeks gepubliceerd.
Dit werkdocument is gemaakt conform het Kwaliteitshandboek van de WOT Natuur & Milieu.
WOt-werkdocument 339 is het resultaat van een onderzoeksopdracht van het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL), gefinancierd door het ministerie van Economische Zaken, Landbouw (EZ). Dit onderzoeksrapport draagt bij aan
W e r k d o c u m e n t 3 3 9
W e t t e l i j k e O n d e r z o e k s t a k e n N a t u u r & M i l i e u
W a g e n i n g e n , j u l i 2 0 1 3
Complexiteit van
WUR-modellen en -bestanden
T o e t s i n g v a n d e E M C v 1 . 0
G . A . K . v a n V o o r n
P . W . B o g a a r t
M . K n o t t e r s
D . J . J . W a l v o o r t
Referaat
Voorn, G.A.K. van, P.W. Bogaart, M. Knotters & D.J.J. Walvoort (2013). Complexiteit van WUR-modellen en -bestanden. Toetsing van de EMC v1.0. Wageningen, Wettelijke Onderzoekstaken Natuur & Milieu, WOt-werkdocument 339. 118 blz. 3 fig.; 10 tab.; 90 ref.; 2 bijl.
In dit werkdocument worden de resultaten behandeld van de toetsing van de evaluatielijst modelcomplexiteit (EMC v1.0) die in een eerdere fase is ontwikkeld. Deze lijst is bedoeld om de complexiteit te beoordelen van modellen en bestanden die de WOT Natuur & Milieu gebruikt om de effecten van natuur- en milieubeleid te evalueren. De toetsing heeft plaatsgevonden door de lijst toe te passen op een aantal casussen (bestaande modellen en bestanden), en daarbij te letten op zowel de inhoudelijke aspecten van de casus als de technische aspecten van de lijst. De resultaten hebben ertoe geleid dat een nieuwe (voorlopige) versie van de lijst (EMC v2.0) wordt voorgesteld in dit werkdocument.
Trefwoorden: modelcomplexiteit, evaluatielijst, natuurmodellen, modelleercyclus, modelkwaliteit
Auteurs
G.A.K. van Voorn: Biometris, PRI Wageningen UR
P.W. Bogaart, M. Knotters & D.J.J. Walvoort: Alterra Wageningen UR
©2013 Biometris, PRI Wageningen UR Postbus 100, 6700 AC Wageningen
Tel: (0317) 48 07 98; fax: (0317) 48 35 54; e-mail: biometris@wur.nl Alterra Wageningen UR
Postbus 47, 6700 AA Wageningen
Tel: (0317) 48 07 00; fax: (0317) 41 90 00; e-mail: info.alterra@wur.nl
De reeks WOt-werkdocumenten is een uitgave van de unit Wettelijke Onderzoekstaken Natuur & Milieu, onderdeel van Wageningen UR. Dit werkdocument is verkrijgbaar bij het secretariaat. Het document is ook te downloaden via www.wageningenUR.nl/wotnatuurenmilieu
Wettelijke Onderzoekstaken Natuur & Milieu, Postbus 47, 6700 AA Wageningen
Woord vooraf
Dit WOt-werkdocument verslaat de resultaten van de activiteiten binnen het project ‘Evaluatie model-complexiteit’ over de tweede helft van 2011 011-016) en de eerste helft van 2012 (WOT-04-011-036.15). Deze activiteiten bestonden onder andere uit interviews met betrokkenen bij verschillende modellen en bestanden die bij Wageningen UR worden ontwikkeld en onder meer door het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) worden gebruikt.
Dank aan Paul Torfs, Claudia Brauer (beiden Wageningen University), Roel Velner (Royal Haskoning), Frank Weerts (Waterschap de Dommel), Ab Veldhuizen, Wieger Wamelink, Rogier Pouwels, Janet Mol (allen Alterra Wageningen UR), Arjen van Hinsberg, en Jaap Wiertz (beiden PBL) binnen die kaders. Dank aan Peter Janssen (PBL) en Harm Houweling (WOT Natuur & Milieu, Wageningen UR) voor kritische kanttekeningen bij de totstandkoming van het werkdocument.
Verdere publicaties die tot nog toe zijn verschenen over dit project zijn Bogaart et al. (2011), Van Voorn & Walvoort (2011), en Van Voorn et al. (2011), te vinden in de referenties binnen dit WOT-werkdocument. Casus bestanden: Martin Knotters; casus Wageningen-model: Patrick Bogaart; casus Meta-SWAP, NP, mNP: George van Voorn & Dennis Walvoort.
George van Voorn Patrick Bogaart Martin Knotters Dennis Walvoort
Inhoud
Woord vooraf 5 Inhoud 7 Samenvatting 9 Inleiding 11 1 1.1 Probleemstelling 11 1.2 Projectdoelstelling 13 1.3 Kennisvraag en onderzoeksvragen 13 1.4 Beoogd projectresultaat 14 Bestandscasussen 15 2 2.1 Inleiding 15 2.2 Priapus 15 2.3 SIS+ 172.4 Soil maps of the Netherlands 1:50,000 & 1:250,000 18
Wageningen-model 21
3
3.1 Inleiding 21
3.2 Basale gegevens Wageningen-model 21
3.3 Doel & toepassingen Wageningen-model 22
3.4 Systeemanalyse Wageningen-model 24
3.5 Conceptueel model Wageningen-model 27
3.6 Gegevens Wageningen-model 28
3.7 Formeel Wageningen-model 29
3.8 Numerieke implementatie Wageningen-model 32
3.9 Schematisering Wageningen-model 33
3.10Gevoeligheden, onzekerheden, opbouw code 34
3.11Kalibratie Wageningen-model 35
3.12Validatie Wageningen-model 36
3.13Samenvatting & evenwichtsbeoordeling Wageningen-model 37
MetaSWAP 39
4
4.1 Inleiding 39
4.2 Ingevulde vragenlijst MetaSWAP; basale gegevens 39
4.3 Doel & toepassingen MetaSWAP 40
4.4 Systeemanalyse MetaSWAP 42
4.5 Conceptueel model MetaSWAP 46
4.6 Gebruikte data en dataeisen bij MetaSWAP 48
4.7 Formeel model van MetaSWAP 49
4.8 Numerieke implementatie MetaSWAP 51
4.9 Schematisering MetaSWAP 53
4.10Gevoeligheids- & onzekerheidsanalyse, opbouw code 54
4.11Kalibratie MetaSWAP 56
4.12Validatie MetaSWAP 57
4.13Evenwichtsoordeel MetaSWAP, bevindingen 58
Natuurplanner 61 5
5.1 Inleiding 61
5.2 Ingevulde vragenlijst Natuurplanner; basale gegevens 61
5.3 Doel & toepassingen NP 63
5.4 Systeemanalyse NP 64 5.5 Conceptueel model NP 66 5.6 Data bij de NP 67 5.7 Formeel model NP 69 5.8 Numerieke implementatie NP 70 5.9 Schematisering NP 71
5.10Gevoeligheden, onzekerheden, opbouw code NP 72
5.11Kalibratie NP 73 5.12Validatie NP 75 5.13Evenwichtsoordeel Natuurplanner 76 Discussie 77 6 6.1 Inleiding 77
6.2 Punten ter verbetering van de lijst 77
6.3 Overige bevindingen 89
6.4 Aanzet tot aandachtspunten “evenwichtig modelleren” 89
6.5 Reflectie en discussiepunten 91 6.6 Vooruitzichten 93 Literatuur 95 Evaluatielijst Modelcomplexiteit v1.0 101 Bijlage 1 Evaluatielijst Modelcomplexiteit v2.0 105 Bijlage 2
Samenvatting
Door diverse factoren, waaronder de steeds grotere beschikbaarheid van computerkracht, is de complexiteit van bestaande en nieuw ontwikkelde modellen en bestanden gemiddeld steeds verder toegenomen. De term ‘complexiteit’ duidt hierbij op een verzameling van aspecten die met elkaar verband houden, zoals de lengte van de computercode, bedienings- en gebruikersgemak, de tijd die benodigd is om een model te ‘runnen’, en het begrip dat men heeft van een model. Er bestaat een risico dat een model te complex is of wordt, waarbij zaken als testen en validatie steeds tijdrovender worden, en het algemene begrip van het model steeds meer gelimiteerd is. In dat geval daalt meestal ook het vertrouwen in de uitvoer van het model en de uitspraken die op die uitvoer gebaseerd zijn; het model is ‘te complex’ geworden.
Wanneer een model ‘te complex’ is hangt af van de context, en die wordt sterk bepaald door de toepassing (waar wordt het model voor gebruikt) en de beschikbaarheid van gegevens. Een model of bestand wordt in ‘evenwicht’ beschouwd wanneer de complexiteit van het model of bestand past bij de toepassing en de databeschikbaarheid, dat wil zeggen de uitvoer van het model of bestand geeft antwoorden met een gewenste betrouwbaarheid voor een bepaalde toepassing.
In dit WOT-werkdocument wordt gekeken naar de complexiteit van een aantal modellen en een modelketen die door het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) is of wordt gebruikt. Daarbij is gebruik gemaakt van een eerder ontwikkelde evaluatielijst voor modelcomplexiteit, de EMC v1.0. De resultaten van de uitgevoerde evaluaties voor modelcomplexiteit zijn vooral gebruikt om de functionaliteit van de evaluatielijst te toetsen, al leveren de resultaten ook nuttige informatie op wat betreft de complexiteit van de getoetste modellen. De resultaten zijn gebruikt om in bijlage 2 van deze rapportage de evaluatielijst op te waarderen van versie 1.0 naar versie 2.0. Daarnaast is een eerste versie met richtlijnen voor ‘evenwichtig modelleren’ bijgevoegd. Verder volgen er een aantal discussiepunten.
Inleiding
1
1.1 Probleemstelling
Bij verkenningen en evaluaties van het Nederlandse milieu- en natuurbeleid door het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) wordt voor een belangrijk deel gebruik gemaakt van modellen en bestanden die zijn ontwikkeld bij Wageningen UR. De verkenningen zijn in het algemeen gericht op de verschillen die kunnen optreden als gevolg van verschillende beleidsscenario’s, terwijl de ex ante evaluaties gericht zijn op de vraag of beleidsdoelstellingen daadwerkelijk gerealiseerd zullen worden.
De meeste modellen en bestanden zijn vooral ontwikkeld vanuit het oogpunt van begrip van het systeem waarnaar gekeken wordt. Dit is een fundamenteel andere grondslag dan het gebruik van modellen en bestanden voor beleidsevaluaties en –verkenningen, die we hier als toepassings-modellen en –bestanden aanduiden. De toepassing van deze modellen en bestanden voor beleidsevaluaties en –verkenningen stelt specifieke eisen aan deze modellen en bestanden, die niet
per se gelden wanneer deze modellen en bestanden worden ontwikkeld voor het verkrijgen van een beter begrip van het systeem. Dit leidt vervolgens tot de vraag, of dat alle door PBL ingezette modellen en bestanden voldoen aan de door de toepassing gestelde eisen.
In de vorige fase van dit project “evaluatie modelcomplexiteit” is er een inventarisatie gemaakt van de eisen die voor toepassingsmodellen en –bestanden relevant kunnen zijn (Bogaart et al, 2011). Een aantal belangrijke aspecten zijn bv. het concept, de complexiteit van het model of bestand, het schaalniveau, de bruikbaarheid van het model of bestand, voldoende beschikbaarheid en voldoende kwaliteit van gegevens, etc. Daarbij is het concept ‘evenwicht’ geïntroduceerd. Dit concept is gebaseerd op de bekende trade-off tussen ‘bias’ en ‘variance’ – bij een beperkte beschikbaarheid van gegevens gaat het verminderen van systematische afwijkingen ten koste van de spreiding in modeluitvoer, en v.v. Echter, het concept ‘evenwicht’ is breder ingestoken.
Figuur 1.1 (links). Conceptueel schema van ‘evenwicht’, de trade-off tussen gewenste modelcomplexiteit en de beschikbare ondersteuning van de gewenste modelcomplexiteit; uitbreiding op eerder werk door Wagener et al (2001).
Figuur 1.2 (rechts). Conceptueel overzicht van de algemene modelleercyclus, vrij naar Rykiel (1996) en Refsgaard & Henriksen (2004).
Het concept ‘evenwicht’ is in principe een afweging tussen enerzijds de gewenste modelcomplexiteit, en anderzijds de beschikbare ondersteuning van deze gewenste complexiteit (zie Figuur 1.1; het principe is sterk ingegeven door eerder werk door Wagener et al, 2001). Bij het vaststellen van de gewenste complexiteit (de ene zijde van het ‘evenwicht’) wordt nadrukkelijk de toepassing van het model in ogenschouw genomen: deze bepaalt namelijk voor een belangrijk deel wat voor eisen er aan de modeluitvoer worden gesteld (o.a. keuze van variabelen, en betrouwbaarheidsmarges). Andere zaken die eisen stellen aan de gewenste modelcomplexiteit zijn o.m. gebruikerseisen (bv., het model moet voor trendanalyse worden gebruikt, of het moet flexibel genoeg zijn om met grote variaties in invoer om te gaan, etc.), en natuurlijk de correlaties die er tussen de verschillende processen in het gemodelleerde systeem bestaan. Bv., ecosystemen zijn over het algemeen inherent complex, en vereisen daarmee een afdoende complex model om het systeem reëel te beschrijven. Bij het vaststellen van de beschikbare steun voor de gewenste modelcomplexiteit (de andere kant van het ‘evenwicht’) wordt vooral gekeken naar beschikbare gegevens, maar ook naar expertkennis, en inzetbare capaciteit (denk aan personeel, computerkracht, etc.). We beschouwen vervolgens een model of bestand in ‘evenwicht’ wanneer het
• Complex genoeg is om tegemoet te komen aan uit de toepassing voorkomende eisen qua schaal, nauwkeurigheid, flexibiliteit en geldigheid binnen extern opgelegde randvoorwaarden; • En tegelijkertijd eenvoudig genoeg om de onzekerheden terug te dringen tot aanvaardbare
proporties door een adequate ondersteuning door data en expert-kennis.
Tevens is er geconstateerd dat er in de praktijk diverse factoren bestaan, die er gemakkelijk toe leiden dat er sterk van het evenwicht van een model of bestand afgeweken wordt (Van Voorn & Walvoort, 2011; Van Voorn et al, 2011).
Het concept ‘evenwicht’ ondervangt een aantal nadelen die kleven aan de traditionele, geautomatiseerde criteria voor modelselectie, zoals het Akaike criterium (AIC; Akaike, 1974; Van Voorn et al, 2011). Deze criteria zijn gericht op het verkrijgen van een optimaal model d.m.v. het vergelijken van de ‘fit’ van verschillende kandidaat-modellen op een specifieke dataset. Het ‘optimale’ model past daarbij enerzijds voldoende op de dataset, zonder dat het ook de flexibiliteit verliest om op andere, vergelijkbare datasets te passen, en anderzijds is het aantal vrijheidsgraden geminimaliseerd. Een technisch nadeel van deze criteria is dat er impliciet wordt aangenomen dat de vrijheidsgraden onafhankelijk van elkaar zijn, wat meestal niet zo is. Maar er zijn ook veel grotere nadelen:
• De criteria zijn niet toepasbaar voor databestanden of graadmeters;
• Er wordt niet expliciet gekeken naar bronnen van onzekerheid, en naar welke processen nadrukkelijk niet in het model zijn opgenomen;
• Deze criteria geven niet altijd een expliciet oordeel t.a.v. de toepassing(en) van het model of bestand, die bepaalt welke variabelen belangrijk zijn en op welke aspecten het model nadrukkelijk betrouwbaar moet zijn.
De bedoeling van het concept ‘evenwicht’ is er op gericht om bovenstaande nadelen te ondervangen voor de beoordeling of een model of bestand geschikt is voor een specifieke toepassing of niet. Als hulp bij de beoordeling of een toepassingsmodel of -bestand in evenwicht is met bijbehorende toepassingen en beschikbare data, is in een volgende fase van het onderzoek een instrument ontwikkeld en getest. Dit instrument is de prototype lijst Evaluatielijst ModelComplexiteit (EMC v1.0; Van Voorn & Walvoort, 2011; Van Voorn et al, 2011). In deze lijst zijn criteria opgenomen, die erop zijn gericht om te beoordelen af aan de verschillende aspecten van ‘evenwicht’ is voldaan, m.a.w., of de complexiteit van het model of bestand in balans is in het licht van het gebruik ervan in beleidsevaluaties en –verkenningen. De opzet van deze lijst is gebaseerd op de algemene modelleercyclus (zie Figuur 1.2). De reden hiervoor is, dat in verschillende fasen van de modelleercyclus andere aspecten van de trade-off tussen gewenste en gesteunde modelcomplexiteit
een belangrijke rol spelen. Bijvoorbeeld in de systeemanalyse (omzetting van reëel systeem naar conceptueel model) spelen de eisen vanuit de toepassing en de beschikbare expertkennis een grote rol. Bij de implementatie van het conceptuele naar computermodel zijn zaken als rekenkracht en numerieke aspecten (zoals een afweging tussen snelheid en accuraatheid van subroutines) van belang. En bij kalibratie en validatie zijn bv. databeschikbaarheid en onzekerheden in invoer belangrijk.
Door de opzet van de lijst is het ook mogelijk om bij een analyse met de EMC v1.0 indirect aanwijzingen te verkrijgen op welke punten een model of bestand valt te verbeteren voor gebruik binnen de toepassing. De lijst levert daarmee ook een bijdrage aan de algemene verbetering of versterking van het PBL-modelleninstrumentarium.
1.2 Projectdoelstelling
In de laatste fase van 2011 is er een begin gemaakt met de toepassing van de ontwikkelde lijst EMC v1.0 op modellen en bestanden binnen het PBL-instrumentarium. Dit projectvervolg is onder meer bedoeld om de begonnen analyses af te maken, en hier lessen uit te trekken over nut en bruikbaarheid van de EMC-lijst, en verbeterpunten aan te geven voor deze lijst. Daarnaast is het de bedoeling om uit deze analyses leerpunten te halen voor verbetering of versterking van het PBL-instrumentarium om – naast casus-specifieke aanbevelingen – ook tot algemene richtlijnen te komen voor hoe een model of bestand ‘evenwichtig’ kan worden ontwikkeld voor een bepaalde toepassing binnen beleidsevaluaties en –verkenningen, eveneens met het oog op verbetering of versterking van het PBL-instrumentarium.
1.3 Kennisvraag en onderzoeksvragen
De centrale vraag gedurende dit project is:
• Zijn de modellen en bestanden die binnen het PBL-instrumenten vallen en gebruikt worden voor beleidsevaluaties en –verkenningen voldoende geschikt voor deze toepassingen?
Voor het beantwoorden van deze vraag is de EMC-lijst ontwikkeld, die in deze rapportage verder getest wordt door toepassing ervan op een aantal casussen.
Onderzoeksvragen die gelden bij de beantwoording van deze centrale vraag zijn: • Welke eisen stelt de toepassing aan modellen en bestanden?
• Overlappen deze eisen met eisen aan modellen en bestanden gericht op begrip van het systeem, en zo nee, op welke additionele punten moet de aandacht gericht worden om een model of bestand geschikt te maken voor de toepassing?
• Hoe kunnen de modellen en bestanden geëvalueerd worden met het oog op geschiktheid voor de toepassing?
• Zijn de bestaande modellen en bestanden te eenvoudig of te complex voor gebruik binnen de toepassing?
• Zijn er algemene richtlijnen te geven voor de ontwikkeling van modellen en bestanden die voldoen aan alle eisen die gesteld worden door de toepassing, en daarmee voldoende geschikt zijn voor de toepassing?
• Is het mogelijk een klein en snel instrument te ontwikkelen dat gebruikt kan worden voor een snelle evaluatie van het gehele PBL-instrumentarium, waarin in elk geval de belangrijkste knelpunten voor een goede toepassing naar boven komen?
Een aantal van de bovenstaande onderzoeksvragen zijn al in meer of mindere mate beantwoord in vorige fasen van het project. De ontwikkelde lijst EMC v1.0 is echter op dit moment nog niet goed getest voor bestanden en modelketens (aaneenschakelingen van modellen en bestanden). Dit is wel relevant, omdat het PBL-instrumentarium ook veel bestanden bevat, en de bestanden en modellen bovendien veelal in modelketens zitten. De lijst zal worden toegepast op een aantal geselecteerde casussen voor deze testen. Als modelketen is de NatuurPlanner (Van der Hoek & Bakkenes, 2007) geselecteerd, omdat deze een grote rol binnen het beleidsonderzoek van PBL heeft.
1.4 Beoogd projectresultaat
Er worden analyses gemaakt van een aantal testcasussen (bestanden) en van relevante modellen en bestanden binnen het PBL-instrumentarium (o.a. MetaSWAP en de NatuurPlanner). Deze analyses zullen als basis dienen voor:
1. Verdere aanpassingen/verbeteringen van de evaluatielijst EMC v1.0 (Van Voorn et al, 2011), die leiden tot een nieuw versienummer van de EMC-lijst;
2. Casus-specifieke aanbevelingen voor eventuele verbetering van het model of bestand.
De resultaten van deze activiteiten zijn gepubliceerd in dit WOT-werkdocument, uitgezonderd de casus-specifieke aanbevelingen voor verbetering van de Natuurplanner en MetaNatuurplanner; die zullen in een toekomstige rapportage opgenomen worden.
Verder worden er in hoofdstuk 6 nog een aantal discussiepunten genoemd, en wordt aangegeven welke vooruitzichten er verder zijn voor dit project.
Bestandscasussen
2
2.1 Inleiding
Hoewel Van Voorn & Walvoort (2011) en Van Voorn et al (2011) vermelden dat het de bedoeling is dat de EMC-lijst ook geschikt is voor de evenwichtsevaluatie van bestanden, is dat in die rapportages nooit getoetst. In dit hoofdstuk worden daarom 3 casussen met bestanden doorgelopen, namelijk Priapus, SIS+, en de bodemkaarten van Nederland 1:50.000 en 1:250:000. Een deel van de informatie in dit hoofdstuk is overigens ook relevant voor de casus ‘MetaSWAP’ (zie hoofdstuk 4), omdat MetaSWAP gebruik maakt van bodemgegevens.
Noot: Dit verder Engelstalige hoofdstuk is opgesteld in de stijl van Van Voorn & Walvoort (2011).
2.2 Priapus
In this evaluation we consider Priapus, version 1.1, released 21-04-2008, containing data on soil hydraulic properties. For a description of Priapus we refer to Stolte et al (2007) and Verzandvoort et al (2012).
Goal/Application area
According to Stolte et al (2007) Priapus contains soil hydraulic characteristics, measurement data and meta data of soil samples collected and analysed by the former research institutes ICW, Stiboka and DLO-Staring Centrum and the current research institute Alterra (part of Wageningen University and Research centre). Parts of the data in Priapus form also part of one or more editions of the Staring series (Wösten et al, 1987; Wösten et al, 1994; Wösten et al, 2001). Priapus is not aimed to replace the Staring series, but to extend the Staring series:
1. Besides soil hydraulic characteristics, Priapus contains the original measurement data and meta-information. This enables the user of Priapus to derive soil hydraulic characteristics of a soil sample, with respect to certain restrictions, and to select soil samples on the basis of meta-information such as clay content and spatial co-ordinates.
2. The meta-information provides an indication of the quality of measurement data and soil hydraulic characteristics.
3. The design of Priapus allows to add soil hydraulic characteristics, measurement data and meta-information of new soil samples taken in the Netherlands and abroad. This enables use of the database abroad in future.
Priapus is aimed to be applied in studies on transport of water and substances in the unsaturated zone. The soil hydraulic characteristics in Priapus can be applied in all simulation models that describe water transport in the unsaturated zone numerically. Application areas include:
• Management and monitoring of water table depth and soil and water quality; • Studies on the impacts of changes in climate and land use;
• Studies on the effects of water repellence of soils; • Studies on the water balances of catchments.
Besides these applications related to water transport in the unsaturated zone, Priapus is applied in studies on soil erosion and soil compaction.
System analysis, assumptions, design of database
The main attributes in Priapus are the relationship between hydraulic conductivity and pressure head and the relationship between soil moisture content 𝐾(ℎ) and pressure head 𝜃(ℎ) (see also the
MetaSWAP-casus in Chapter 4). The system boundaries are defined only globally: the Netherlands, in future the world. It can be assumed that the system is restricted to unpaved area, and road shoulders, banks and public gardens are excluded.
Uncertainty about the 𝐾(ℎ) and 𝜃(ℎ) relationships of soil has the following sources: • Errors in sample treatment;
• Errors in laboratory measurements. These errors are quantified by repeated measurements on the same sample, the results of which are stored in Priapus;
• Errors arising from the schematization by the model of Mualem-Van Genuchten (Mualem, 1976; Van Genuchten, 1980). This source of uncertainty can be quantified by measures of goodness-of-fit, which have not yet been stored in Priapus;
• Errors in the spatial co-ordinates of a sample location; • Errors in the registration of the time of sampling;
• Errors in spatial prediction and spatial aggregation of 𝐾(ℎ) and 𝜃(ℎ) relationships.
Priapus does not provide quantitative information on the uncertainty about the 𝐾(ℎ) and 𝜃(ℎ) relationships of soil samples. Verzandvoort et al (2012, Chapter 6) give recommendations to include quantitative information on sources of uncertainty in Priapus, in order to make Priapus suitable for application in risk analysis.
The design of Priapus is described in detail in Stolte et al (2007, Section 5.2). Priapus contains 28 tables, 10 of which storing information on the soil samples, and 18 with descriptive information.
Data requirements
Currently, Priapus contains data of 96 samples with quality status A, taken at 39 locations. Besides laboratory measurements on the 𝐾(ℎ) and 𝜃(ℎ) relationship, the following information on soil samples is required:
• Spatial co-ordinates; • Time of sampling;
• Sample depth, soil horizon; • Geologic formation;
• Texture (clay content, silt content, sand content); • Organic matter content.
Laboratory measurements of texture and organic matter content are available for 65 samples, taken at 29 locations.
For applications at a field scale Priapus currently contains insufficient data. For regional or national studies the support of data is insufficient and aggregations are needed. For worldwide applications the current extent of data is insufficient. It should be noted that Priapus also contains information on samples which do not meet the constraints of quality status A (Priapus contains information of 852 samples). These data might nevertheless meet the requirements of specific applications.
In the Staring series part of Priapus the soil hydraulic characteristics are aggregated to 36 so called ‘bouwstenen’ (building blocks), representing 18 different soil physical units for the topsoil and the subsoil, respectively. Although a clear definition of topsoil and subsoil is lacking, the most common interpretation is that topsoil characteristics represent the effective root zone and subsoil characteristics represent the parent material below the root zone (observe, that this is used in the MetaSWAP-casus discussed in Chapter 4).
Mathematical and numerical model
The data in Priapus are partly resulting from model calculations: the 𝐾(ℎ) and 𝜃(ℎ)- relationships are described by the model of Mualem-Van Genuchten (Mualem, 1976; Van Genuchten, 1980) and by cubical splines.
Calibration, analysis, and validation
Verzandvoort et al (2012, Sections 4.2 and 4.3) describe the calibration of the Mualem-Van Genuchten model and cubical splines to laboratory measurements on 𝐾(ℎ) and 𝜃(ℎ). A problem is extrapolation of the relationships outside the range of, say, 10 to 1000 cm absolute pressure head. Outside this range a limited number of laboratory measurements is available. Values of 𝐾(ℎ) and 𝜃(ℎ) fitted by the Mualem-Van Genuchten model or by cubical splines might differ largely outside this range. Validation results are available for estimated pore volumes, see Stolte et al (2007, Subsection 7.3.1).
Discussion of the case and advices for improvement
Data in Priapus are aimed to be applied in studies inside and outside the Netherlands, at field, regional, national and global scale. Basically, in its design Priapus is well balanced for most applications because data can be provided at the level of individual samples, and can be aggregated, for instance, to the level of building blocks of the Staring series or other levels depending on the application. Currently, the 96 samples with quality status A poorly cover all classes of texture, organic matter content and geological formations. Besides this, the samples are spatially clustered. Furthermore, samples were taken long ago (in various cases more than 30 years ago) and possibly not representing actual soil physical conditions. Recently efforts have been made to fill in the gaps in Priapus (Knotters et al, 2011).
Information on the accuracy of data in Priapus is not related to the applications. There is a need for validation studies on the effects of errors in applications, and for uncertainty analyses on the propagation of errors in model chains and decision processes.
2.3 SIS+
This evaluation concerns a map of pH-KCl, constructed by SIS+, version 01.0, released 29 October 2010, on the basis of data in the Dutch Soil Information System.
Goal/Application area
The goal is to construct a map of pH-KCl for the soil layer from 0 to 0.25 m. The period of interest is from 1990-01-01 to 2010-12-31 and the spatial extent is given in ESRI shape file provinces. The resulting map should have a spatial resolution of 1000 m x 1000 m. In this stage of development of SIS+ the aim of constructing a map is a proof-of-concept, i.e., to test the process of automatically generating maps from data stored in the Dutch Soil Information System. In future these maps will be generated for applications in nationwide studies on natural resources.
System analysis, assumptions, model concept
Walvoort (2010) and Brus et al (2010) give a system analysis of SIS+. The most important attributes are the target variable 𝑦(𝑠0) at observation locations 𝑠0, and 𝑦(𝑠𝑖) at prediction locations 𝑠𝑖. In this
case y is pH-KCl of the soil layer from 0 to 0.25 m. The system boundaries are defined by the soil layer from 0 to 0.25 m depth, the Netherlands, and the period from 1990-01-01 to 2010-12-31. Attributes and processes outside these boundaries are neglected in constructing the map.
The values of the target variable, pH-KCl, at unvisited locations are predicted by simple kriging with varying local means (Goovaerts, 1997). The varying local means are average values of pH-KCl within
soil physical PAWN-units (Wösten et al, 1988). The applied model of simple kriging with varying local means has two spatial dimensions.
Uncertainty exists on the true value of pH-KCl at unvisited locations. The uncertainty is quantified by the variance of the prediction error or kriging variance. This variance is minimized under the constraint that the mean error equals zero.
Analysis of the spatial structure of pH-KCl is relevant, because a model of spatial variation, semivariogram, is needed in computing interpolation weights and in quantifying the variance of the prediction error.
Data requirements
Measurements of pH-KCl in the soil layer from 0 to 0.25 m are needed, and a schematisation of soil into a restricted number of spatial units for which local means are calculated.
Data on pH-KCl are available in the Dutch Soil Information System for 1695 soil profiles. A schematisation of the soil into 23 spatial units is available from the PAWN-study (Wösten et al, 1988). The pH-KCl values are weighted average values from all soil horizons which contribute to the soil layer from 0 to 0.25 m. The lengths with which soil horizons contribute to the soil layers are used as weights.
The activity of hydrogen ions (H+) is taken prior to the weighted averaging, and back-transformed to the pH scale afterward (Brus et al, 2010, p. 10, 15).
Calibration, analysis, and validation
A semivariogram model describing the spatial variation of pH-KCl was fitted to an experimental variogram that was calculated from the set of 1695 observations, after subtracting the local means of the PAWN-units. The experimental and fitted variogram were plotted and the goodness-of-fit was evaluated visually. The accuracy of the interpolations was evaluated by leave-one-out cross-validation (Walvoort, 2010, p. 23-29).
Discussion of the case and advices for improvement
Application in real research problems, for instance in the field of environmental policy, was not the starting point in constructing the pH-KCl map. In the developing stage of SIS+ the pH-KCl map was produced as a ‘proof-of-concept’ only. In this stage a generic procedure for constructing maps from data in the Dutch Soil Information System is aimed for. Maps generated by this procedure should be suitable to a variety of possible future applications.
Sensitivity analysis or uncertainty analysis for assumptions made in modelling the spatial structure has not taken place, but would be interesting to evaluate the effects of choices made in variogram modelling, stratification and kriging. This can help to evaluate the complexity of the spatial model.
2.4 Soil maps of the Netherlands 1:50,000 & 1:250,000
This case concerns the soil map of the Netherlands, digitally available via the website of the Dutch Soil Information System (http://www.bodemdata.nl). National soil maps at two different scales are available: 1 : 50,000 and 1 : 250,000. The evaluation is partly based on the information provided by this website.
Goal/Application area
Soil properties can differ largely between soil units, for instance with respect to crop growth. Therefore it is important to know the spatial distribution of soil units, i.e., to make soil maps. Since a changing landscape often means a changing soil profile the relationship between landscape and soil is important in soil mapping. A soil map represents different soil units by polygons with different colours. The scale of the soil map and the soil units being distinguished depend on the purposes for which the soil is mapped.
The soil maps provided by the Dutch Soil Information System enable to quickly make overviews of soil units and their areas for any area of interest within the Netherlands. Results of interpretations or model calculations can be visualised quickly, and can easily be combined with other digitally available spatial information such as land use maps (De Vries et al, 2003, p. 11). Soil maps are particularly important to the national government, provincial governments and district water boards in policy making, scenario studies and plan development in the areas of:
• Soil use and soil protection; • Environmental management; • Water management;
• Nature conservation.
(De Vries et al, 2003, p. 11). De Vries et al (2008) list in detail the users and applications of the Dutch Soil Information System, including the national soil maps 1:50,000 and 1:250,000. For applications in risk and uncertainty analysis, for instance in model chains, information on the accuracy of spatial predictions of soil types is needed, see, for instance, Brus and Heuvelink (2007) and Knotters et al (2010).
Information on soil type and water table class are directly relevant in estimating yield losses, for instance caused by lowering of the water table in an area of groundwater withdrawal. The estimated yield losses are based on tables giving percentages of crop growth reduction for combinations of soil types and water table classes (Werkgroep HELP-tabel, 1987; Brouwer and Huinink, 2002; De Vos et al, 2008; Bouwmans, 1990).
In soil protection and environmental management information on soil physical properties and water table depth are important. Soil physical properties are derived from data on texture and organic matter content using pedo-transfer functions (Vereecken et al, 1993), or using soil physical units from the Staring series (Wösten et al, 2001) , for example the soil physical schematisation of the soil map 1 : 250,000 in the PAWN study (Wösten et al, 1988).
NATLES (Runhaar et al, 2003) is a program for land evaluation focused on nature conservation, that needs information on soil type and water table class from the soil map 1 : 50,000.
System analysis, assumptions, model concept
The soil maps, 1:50,000 and 1:250,000, are models of the Dutch soil. The most important attributes are
• Soil units, with information on soil type and texture of the topsoil, and additional information on reworked soils, composition of the soil profile, cover layers of sand or clay, and texture of the subsoil.
• Units of water table classes reflecting the seasonal fluctuation of water table depths.
In horizontal directions the system boundaries are the national border, and the borders between land and water and between land and built-up or paved areas. In the vertical direction the system boundaries are the ground surface and the surface at a depth of 1.20 m below the ground surface. The model does not include a stochastic component describing the uncertainty about the true values of the attributes. Brus and Heuvelink (2007) give quantitative information on the uncertainty about
soil types. The Netherlands’ Soil Sampling Program (NSSP, Finke et al, 2001; Visschers et al, 2007) gives quantitative information on the contents of a number of soil units, including the percentage correctly classified (also referred to as map purity).
At augering locations in the field the soil type is determined on the basis of a soil profile description. At least one soil profile description is made for each square centimetre of the soil map. Interpolation is based on expert judgement, using knowledge about the relationship between soil and landscape, and information on cultural history and geological and pedogenetical processes. Areas having relatively homogeneous soil properties are aggregated to map units.
The temporal, and largely seasonal, fluctuations of the water table relative to the ground surface are described by water table classes. These classes represent the average depths between which the water table fluctuates, given the prevailing hydrologic and climate conditions. Water table classes are estimated at point locations on the basis of hydromorphic profile characteristics, landscape characteristics, calibration to observed time series of water table depths and well-timed observations of water table depths in auger holes.
Data requirements
Soil profile descriptions and field observations are required in the mapping process and in applications of the soil data. For the soil map 1:50,000 at least one soil profile description per 25 hectares is made, whereas for the soil map 1:250,000 at least one soil profile description per 6.25 km2 is made. Soil profile descriptions are amply available, from national soil surveys and from
regional surveys at larger scales (1:10,000, at least one soil profile description per hectare; 1:25,000, at least one soil profile description per 6.25 hectares).
Discussion of the case and advices for improvement
In many applications the balance between required and provided information is good. It should be mentioned, however, that the information provided by the soil map was often a starting point. Therefore, possible limitations cannot easily be detected. Furthermore, it is often not known whether the soil map is sufficiently accurate to be used for a specific purpose. Little is known about the accuracy of soil maps and about the effects of map errors in applications. A first analysis on these effects is given by Knotters et al (2009) for applications of the soil map in estimating yield losses in areas with groundwater withdrawal.
Many attributes of the soil map are important for applications. For applications in modelling transport of water and substances in the unsaturated information on the environment in which soil layers were sedimented is more important than information on soil type.
For applications in rural development projects, in assigning areas that are sensitive to nitrate and phosphate leaching and in estimating compensations for crop yield reductions soil information on field or farm scale is needed. For applications in nature conservation information might even be needed on soil patterns within fields. It is assumed that the national soil maps 1 : 50,000 and 1 : 250,000 cannot be applied at such detailed scales. Only if fields and farms have large areal sizes these national soil maps might be suitable.
In rural development projects and in estimating compensations for crop yield reductions in areas with groundwater withdrawal the plan horizon is 30 years. Soil maps should thus inform about the average conditions of soil and water table over a period of 30 years length, representing the prevailing hydrologic and climatic conditions.
Currently, the national soil maps 1 : 50,000 and 1 : 250,000 cannot be applied in risk and uncertainty analysis because information on the map accuracy is lacking at a global as well as at a local level. The first efforts to quantify accuracy of the national soil maps have been made in the program to update the Dutch Soil Information System (Brus and Heuvelink, 2007).
Wageningen-model
3
3.1 Inleiding
In dit hoofdstuk wordt de casus ‘Wageningen-model’ beschreven, een eenvoudig hydrologisch neerslag-afvoermodel. De primaire functie van het Wageningen-model is om voor een (klein) stroomgebied de afvoer te voorspellen op basis van hydro-meteorologische forcering (neerslag en potentiële verdamping) en de dynamiek van de waterbalans binnen het stroomgebied. Het ligt voor de hand om dit model te vergelijken met MetaSWAP, het model dat in het volgende hoofdstuk wordt besproken. De momenteel zowel voor onderzoeksdoeleinden alsmede operationeel ingezette versies van het Wageningen-model zijn onderworpen aan een evaluatie met de versie 1.0 van de checklist. Gezien het doel van deze evaluatie worden geen conclusies getrokken ten aanzien van het Wageningen-model zelf, enkel ten aanzien van de checklist.
Voor deze casus zijn zowel onderzoekers verbonden aan Wageningen Universiteit, waar het model in de jaren 70 en 80 is ontwikkeld, geïnterviewd, alsmede meer operationeel werkende onderzoekers, verbonden aan een adviesbureau en een waterschap. In januari 2012 zijn enkele ontwikkelaars en gebruikers van het Wageningen-model geïnterviewd. Dit waren Paul Torfs en Claudia Brauer (aangeduid als T&B), beide WU/HWM op 25 januari 2012 en Roel Velner (Royal Haskoning, nu Waterschap Rivierenland) en Frank Weerts (Waterschap de Dommel) (aangeduid als V&W) op 27 januari 2012.
3.2 Basale gegevens Wageningen-model
1 Geef aan: model/bestand, naam, versienummer, revisienummer, uitgiftedatum. Onder model verstaan we de broncode + invoergegevens.
Het Wageningen-model is een waterbalansmodel, geen tijdreeksmodel. Feitelijk bestaat hét Wageningen-model niet. Er zijn verschillende conceptuele versies:
• De oorspronkelijke versie op basis van het j-model van Kraijenhoff van der Leur (1958);
• Een latere vereenvoudiging (Van Walsum, 1981) waarin de snelle en langzame impuls-responsefuncties zijn vervangen door twee lineaire reservoirs (en die tevens als verre voorouder kan worden beschouwd van MetaSWAP, zie het volgende hoofdstuk).
Ook zijn er meerdere implementaties:
• Oudere implementaties zijn doorgaans in FORTRAN;
• Ten behoeve van het onderwijs aan het IHE is een spreadsheetversie in Excel ontwikkeld;
• Voor het huidig onderzoek met het Wageningen-model maakt men gebruik van een implementatie in de statistisch/numerieke programmeertaal R (http://www.r-project.org).
Er vindt geen formeel versiebeheer plaats. De facto is de laatste versie van de FORTRAN implementatie gecompileerd en toegepast door Royal Haskoning in opdracht van Waterschappen De Dommel en Aa en Maas.
Dé numerieke versie van het Wageningen-model bestaat evenmin. In de loop van jaren zijn er verschillende versies geïmplementeerd, waarvan de volgende vermeldenswaardig zijn:
• Een versie in Fortran, waarin afvoer volgens de oorspronkelijk opzet wordt gemodelleerd, d.w.z. met een convectie-diffusie vergelijking voor de snelle afvoercomponent, en het Kraijenhoff van de Leur j-model voor de langzame (grondwater) afvoercomponent. Deze versie wordt niet actief
beheerd. De versie is in projecten door Royal Haskoning doorontwikkeld en gecompileerd (in opdracht van Waterschap De Dommel). Van alle bestaande versies komt deze het meest in aanmerking als de referentieversie.
• Een spreadsheet versie (in excel), geprogrammeerd ten behoeve van het onderwijs aan het UNESCO-IHE Institute for Water Education
• Verschillende versies in R, die voornamelijk binnen de leerstoelgroep Hydrologie en Kwantitatief Waterbeheer van Wageningen Universiteit worden ontwikkeld voor onderzoeksdoeleinden. Enkele aspecten die wat aandacht verdienen zijn o.a.:
• De waterbalans voor de wortelzone wordt iteratief opgelost. In een eerste stap wordt het vochtgehalte 𝑆 geactualiseerd op basis van neerslag 𝑁 en potentiële verdamping 𝐸𝑝, waarbij de
percolatie 𝑃 en capillaire opstijging 𝐶 op 0 worden gesteld. Op basis van deze eerste schatting van 𝑆 worden 𝑃, 𝐶, en 𝐸𝑝 berekend, en vervolgens wordt een tweede schatting van 𝑆 gemaakt.
Afhankelijk van de implementatie vindt een derde iteratieslag plaats.
• De impuls-responsefuncties voor 𝑄𝑓,1(𝑡) en 𝑄𝑠,1(𝑡) die in de Fortran-versie worden gebruikt (zie beschrijving conceptueel model) hebben oneindig lange staarten. In de praktijk worden de resulterende hydrografen echter na een bepaalde lengte (aantal tijdstappen) afgekapt. De resulterende waterbalansfout wordt niet altijd goed afgehandeld, wat eventueel tot een opbouw van afwijkingen kan leiden.
Evaluatie van de checklist:
Deze vraag, hoewel nuttig ten behoeve van dossiervorming (traceerbaarheid en transparantie), levert geen wezenlijke bijdrage aan de evenwichtsevaluatie.
3.3 Doel & toepassingen Wageningen-model
2A Wat was het doel van het bestand/model?T&B: Het primaire doel van het Wageningen-model is het modelleren van het neerslag-afvoerproces, en de statistieken daarvan zoals maatgevende afvoer. Secundaire (achterliggende) doelen zijn in de loop van de tijd veranderd. Oorspronkelijk was dit de dimensionering van het watersysteem (slootdimensies en –afstanden, en dergelijke). Kwantificering met behulp van het Wageningen-model was een vooruitgang ten opzichte van de eerder gevolgde benadering op basis van vuistregels (bijvoorbeeld dat de maatgevende runoff-productie 14 𝑙/𝑠/ℎ𝑎 bedraagt). Hedendaagse doelen zijn het berekenen van runoff binnen operationele openwatermodellen zoals SOBEK, en het bijdragen aan beleidsvragen, bijvoorbeeld met betrekking tot drainage, waar het Wageningen-model gezien de dynamische verdeling tussen snelle en langzame afvoer bij uitstek geschikt voor is.
V&W: Het Wageningen-model is vooral een hulpmiddel om waterbergingsgebieden in te richten, het gaat erom om betrouwbare uitspraken te verkrijgen hoe zo'n gebied functioneel ingezet kan worden. Een secundair doel is om (ex ante) hoogwatergolven te kunnen analyseren ten behoeve van het Model Regionaal Waterberging (MRW) in de context van het Nationaal Bestuursakkoord Water (NBW).
Kritiek:
Er is onduidelijkheid over de interpretatie van ‘doel’. Het einddoel (bv. gebieds-inrichting) is iets anders dan het modeldoel (neerslag-afvoer modellering)
2B Wat was het beoogde toepassingsgebied, en waaruit blijkt dit?
T&B: Het toepassingsgebied van het Wageningen-model is het waterbeheer in vrij afwaterende laaglandstroomgebieden. Het model is niet geschikt voor sterk geaccidenteerd terrein (topografisch aangedreven stroming wordt niet beschreven door het model). Ook is het niet geschikt voor open
water (de hydraulica van het open water systeem wordt niet beschreven door het model)of voor poldergebieden waar water wordt ingelaten (inlaatwater kan niet in het model worden gedisconteerd). V&W: Het model wordt binnen het studiegebied vooral ingezet op historische tijdreeksen (dus niet operationeel).
2C Wat zijn de toepassingen nu? Heeft het model/bestand een rol in een modelketen? Zo ja, welke?
T&B: De feitelijke toepassingen van het Wageningen-model vallen geografisch gezien binnen het beoogde toepassingsgebied: de vrij afwaterende kleine stroomgebieden in Pleistoceen Nederland en vergelijkbare gebieden net over de grens (met name in Duitsland). Procesmatig gezien wordt het Wageningen-model vooral ingezet voor vragen rondom wateroverlast (te veel water) en nauwelijks voor vragen over verdroging (watertekort). Het Wageningen-model wordt vooral ingezet voor het doorrekenen van lange tijdreeksen, en nauwelijks voor individuele gebeurtenissen.
Qua modelketens wordt het Wageningen-model in de praktijk vooral gekoppeld aan het SOBEK model, wat de standaard is in het regionale operationele waterbeheer. In de door Royal Haskoning ontwikkelde schil TRIWACO is het Wageningen-model één van de opties voor neerslag-afvoer. Als dusdanig fungeert het ook als second opinion ten opzicht van de andere neerslag-afvoer opties en draagt zodoende bij aan onzekerheidsanalyses binnen SOBEK.
V&W: Zij passen het Wageningen-model op regionale schaal met name toe vanuit het kader van MRW/NBW toetsing. Lokaal wordt het gebruikt ten behoeve van de inrichting van waterbeheersgebieden waar problemen zijn. Het Wageningen-model is hier een onderdeel van een modelketen. Het Wageningen-model verzorgt de neerslag-afvoer voor het landelijk gebied (Sobek RR; rainfall-runoff) wordt gebruikt voor het stedelijk gebied). Samen met een RWZI-module (rioolwaterzuiveringsinstallatie) vormen deze de invoer voor Sobek Channel Flow en een 2D maaiveld-overstromingsmodel.
Kritiek:
Feitelijk toepassingsgebied hoort meer bij beoogd toepassingsgebied. De rol in een modelketen is eigenlijk een vraag op zich (T&B).
2D Overlapt het beoogde toepassingsgebied alle daadwerkelijke toepassingen (ja/deels/ nee)?
Grotendeels overlapt het daadwerkelijk toepassingsgebied het beoogde toepassingsgebied. Uitzonderingen zijn bijvoorbeeld een studie waarin het Wageningen-model in het kader van onderzoek naar de effecten van de Duitse bruinkoolwinning (en daaraan gepaarde grondwaterstandsverlaging) is toegepast in een stroomgebied in Limburg, waarin breuken en grondwaterstroming over de systeemgrens een rol speelt. Additionele informatie is hierover wel gewenst.
2E Indien relevant, in hoeverre overlappen de verschillende toepassingen met elkaar (goed/matig/slecht)?
T&B: Niet duidelijk was wat hiermee werd bedoeld.
V&W: Er is een ruimtelijke overlap tussen de lokale en regionale modellen.
Evaluatie van de checklist:
De vraag richt zich op het beoogd en feitelijk toepassingsgebied van het te evalueren model. Dit is echter niet direct relevant met betrekking tot de geschiktheid van het model voor het toepassingsgebied. Het zou beter zijn om eerst te kijken hoe het beoogde toepassingsgebied kan worden gekenmerkt, en vervolgens te zien in hoeverre het feitelijke toepassingsgebied aan deze kenmerken voldoet. Hiermee is ook direct de strekking van deelvraag E duidelijk. Verder zou deze
vraag met name gericht moeten zijn op het doel van het model: welke rol gaan de modelresultaten spelen in het verdere proces? Welke eisen ten aanzien van variabelen, acceptabele onzekerheden, tijd- en ruimteschalen komen hieruit voort? Onder welke voorwaarden kan het beoogde model hier aan voldoen?
3.4 Systeemanalyse Wageningen-model
3A Geef een systeemanalyse. Dit kan bv. een verwijzing naar een rapport zijn. Aspecten die daarin aan bod komen zouden moeten zijn: Wat zijn de belangrijkste attributen en processen van het systeem? Welke terugkoppelingen zijn aanwezig? Hoe zijn de grenzen van het systeem bepaald of gedefinieerd? Hoe wordt met relevante attributen en processen buiten deze grenzen omgegaan, bv. randvoorwaarden, constanten, of simpelweg genegeerd? Over welke processen, attributen, terugkoppelingen, etc. bestaat er onzekerheid? Hoe is die onzekerheid bepaald?
T&B: Hiervoor wordt doorverwezen naar de verschillende publicaties over het Wageningen-model. De belangrijkste attributen zijn toestandsvariabelen zoals waterberging (grondwater en bodemvocht) en systeemeigenschappen zoals porositeit en doorlaatbaarheidskarakteristieken. De belangrijkste processen zijn de infiltratie van neerslag in de bodem, verdamping door voornamelijk vegetatie, en de stroming van water langs verschillende stroombanen (over het oppervlak, ondiep door de bodem, als grondwater). De belangrijkste terugkoppelingen zijn die tussen berging enerzijds en verdamping en afvoer anderzijds. Afhankelijk van de hoeveelheid berging in het systeem en de intensiteit van de neerslag zijn verschillende van bovengenoemde stroombanen actief.
In het Wageningen-model zitten verschillende terugkoppelingen. Ten eerste de verdeling tussen snelle en trage afvoer, en ten tweede de capillaire opstijging, die beide een functie zijn van de berging in het `trage' reservoir.
De grenzen van het systeem zijn aan de bovenkant het landoppervlak (inclusief vegetatie) en aan de onderkant de overgang van het aan het oppervlak liggend watervoerend pakket naar de eerste (niet of slecht doorlaatbare) scheidende laag. Lateraal zijn het `bovenstrooms' de waterscheiding (waar per definitie de laterale flux nul is) en `benedenstrooms' de overgang van het landsysteem naar het oppervlakte-watersysteem. Een probleem hierbij is dat sommige systeemgrenzen in principe een afgeleide zijn van de hydrologische fluxen, en dus per definitie dynamisch. Een voorbeeld hierbij is de waterscheiding die als laterale systeemgrens fungeert. Doorgaans wordt deze bepaald op basis van een topografische analyse. Een aanname hierbij is dat de waterstroming door topografie wordt gestuurd. Voor bijvoorbeeld oppervlakkige of ondiep-laterale stroming in reliëfrijke gebieden gaat dat vaak op. Voor grondwaterstroming is de topografie minder relevant, en wordt de positie van de waterscheiding in een grondwaterkoepel primair bepaald door de hydraulische structuur van de ondergrond en de afstanden tot de waterlopen die als randvoorwaarde voor het (lokale) grondwatersysteem fungeren. In een complexe setting vallen de waterscheiding voor het oppervlakkige/ondiepe water en die voor het diepere grondwater dus niet samen. In de praktijk wordt op basis van het dominante proces één statische waterscheiding gedefinieerd. Ook de onderrand is niet onduidelijk gedefinieerd. Water vanaf een gegeven diepte maakt geen deel meer uit van het lokale grondwatersysteem, maar van een grootschaliger regionaal systeem en zal pas ver buiten het onderzoeksgebied als kwel weer naar boven komen. In principe zou dus de grens tussen het `lokaal uittredende grondwater' en het regionale grondwater als ondergrens gedefinieerd kunnen worden. Deze is in de praktijk echter slecht identificeerbaar, en bovendien grondwaterstands- en dus seizoen afhankelijk. In de praktijk wordt vaak gewerkt met modellen met een vaste en beperkte diepte, en de uitwisseling met het regionale grondwatersysteem wordt als randvoorwaarde beschreven, bv. gebruik makend van kalibratie.
In het Wageningen-model wordt geen rekening gehouden met grondwateruitwisseling over de systeemranden heen. Water komt als neerslag via de bovenrand binnen, en verdwijnt als afvoer of verdamping. Uitwisseling met een regionaal grondwatersysteem is dus niet mogelijk.
Attributen en processen buiten deze grenzen zijn, gezien bovenstaande met name stijghoogtes en/of grondwaterstanden in de omgeving van het modeldomein, zowel lateraal als in de diepere ondergrond.
Klassieke randvoorwaarden zijn de forcering van het systeem: neerslag, straling en overige relevante meteorologische variabelen.
Onzekerheden zijn wat betreft processen 1) de grondwaterstroming, waar binnen (de recente versie van) het Wageningen-model de onderliggende fysica vereenvoudigd is tot een lineair reservoir; 2) de verdampingsreductie onder droge omstandigheden. In het Wageningen-model is de wortelzone (waar te verdampen water aan wordt onttrokken) beschreven als een enkel (lumped) reservoir. 3) capillaire opstijging, die waarschijnlijk te simpel is beschreven. Terugkoppelingen zoals de dynamische verdeling tussen snelle en langzame afvoer lopen via een parameter zonder werkelijke fysische betekenis. Het Wageningen-model is gevoelig voor de begintoestand, terwijl het gezien het conceptuele karakter van het model niet eenvoudig is hier iets zinnigs over te zeggen.
V&W: De belangrijkste systeemvariabelen zijn gebiedseigenschappen zoals het landgebruik, doorlaatvermogen van de bodem, het voorkomen van eventuele hellingen, de lokatie van watergangen, de aanwezigheid van drainagemiddelen (en de hydraulische eigenschappen daarvan), en kenmerken van de regionale grondwaterstroming.
Grenzen van het systeemdomein zijn in beginsel de stroomgebieden van de rivier de Dommel. Oorspronkelijk was het domein opgedeeld in grote afwateringseenheden. Ten behoeve van een betere modellering zijn deze echter verkleind, op basis van informatie over maaiveldhoogte, het watergangenpatroon etc. De eenheden zijn dusdanig gekozen dat het stroomgebieden zijn.
Lacunes in de systeemanalyse zijn met name dat de regionale grondwaterstroming niet in rekening wordt gebracht. De grootste onzekerheid bestaat in de oppervlakte-waterafvoer, en het inschatten van de actuele evapotranspiratie in relatie tot de procesbeschrijving. Andere onzekere factoren zijn kwelfluxen, de terugkoppeling tussen grond- en oppervlaktewater, en neerslag. Met name de onzekerheid in afvoer bleek een ware eye-opener. In feite is niet goed bekend hoe groot deze onzekerheid is. Het is bijvoorbeeld maar de vraag of die kleiner dan 10% is.
Kritiek:
T&B: Vragen over randvoorwaarden, constanten etc. horen bij een modelevaluatie, niet bij een systeemanalyse. Die dient enkel over het fysische systeem te gaan (natuurlijk wel conceptueel model)
Beschouw nu per toepassing
3B Welke systeem- analytische aspecten (attributen, processen, terugkoppelingen, etc.) zijn (direct) relevant voor de toepassing? En welke in mindere mate of niet? En hoe is die relevantie bepaald?
Toepassingen:
T&B: Het Wageningen-model is toegepast voor het waterschap Noorderzijlvest (NZV): Een eerdere modelstudie, uitgevoerd met SOBEK-RR (rainfall-runoff module) leidde tot ontevredenheid. In het model bleef te veel water in de polders achter, waardoor de berekende afvoeren lager waren dan in werkelijkheid. De verhouding afvoer–berging was dus fout. De vraag was of er hier sprake was van een verkeerd model, of een verkeerde toepassing daarvan. Het Wageningen-model werd ingezet als 2nd opinion.
V&W: Het Wageningen-model is toegepast voor zowel de inrichting van waterbeheersgebieden (lokaal) als wel als onderdeel van het MRW (regionaal)
Relevante systeem-analytische aspecten per toepassing:
T&B: In deze toepassing is de relatie tussen berging en afvoer het meest relevant. Capillaire opstijging is het minst relevante proces, aangezien de studie enkel op natte omstandigheden gericht was, waarbij er enkel neer- en zijwaartse waterbewegingen optreden. Ook bleek het oorspronkelijke Kraijenhoff van der Leur J-model te complex te zijn (wat betreft rekentijd, niet wat betreft parameters). Gezien de periodiek hoge peilen in het oppervlaktewater is de terugkoppeling tussen grond- en oppervlaktewater een relevant proces.
V&W: Alle aspecten zijn relevant. Inzichten hierin zijn verkregen door logisch te redeneren op basis van vak- en gebiedskennis.
3C Zijn alle voor de toepassing belangrijke aspecten als gegeven in B meegenomen in het model/bestand? En welke niet?
T&B: Nee. Het grondwater zit niet afdoende realistisch in het Wageningen-model. Ten eerste mist in het Wageningen-model een terugkoppeling tussen grondwater en oppervlaktewater. Ten tweede is in het onderzoeksgebied kwel significant, maar kan niet worden verdisconteerd in het model.
V&W: Nee: factoren als landgebruik, topografische hellingen en grondwaterstroming kunnen slechts in zeer beperkte zin worden meegenomen in het model. Hydraulische weerstanden worden wel in Sobek meegenomen, maar niet in het Wageningen-model.
Kritiek:
Voor de vraag kunnen verschillende antwoorden worden gegeven afhankelijk of men het model op zich evalueert, of het model in zijn rol binnen een modelketen, wat doorgaans het geval is.
3D Zijn er minder of niet belangrijke aspecten meegenomen in het model/bestand (ja/weinig/geen)?
T&B: Ja. Capillaire opstijging is een modelonderdeel dat niet relevant is voor deze toepassing. Verder worden alle modelcomponenten gebruikt.
V&W: Op de hoge heidegronden met diepe grondwaterstanden is capillaire opstijging niet relevant.
3E Beoordeel de mate van ‘evenwicht’ m.b.t. de systeemanalyse, gebaseerd op de antwoorden op 3C en 3D (goed/matig/slecht).
T&B: De mate van evenwicht wordt geschat als “redelijk”. Het Wageningen-model is niet overcomplex, maar ook niet te simpel. Een ruimtelijk geaggregeerd model, wat het Wageningen-model is, lijkt toepasselijk, aangezien de ruimtelijke heterogeniteit beperkt is, en de eventuele meerwaarde van een ruimtelijk gedistribueerd model dus gering.
V&W: Het is moeilijk om heterogeniteit in gebiedskenmerken in het Wageningen-model te verwerken. Op regionale schaal is dit niet zo erg, maar op lokale schaal vormt dit wel een belemmering. In de praktijk wordt de grootte van de modeleenheden bepaald door de locaties van afvoermeetinstallaties, en niet door homogeniteit van het bijbehorende stoomgebied. Ondanks deze beperkingen kan men er mee uit de voeten. De resultaten en onzekerheden zijn voor zowel projectleider en andere stakeholders acceptabel. Op regionale schaal is de plausibiliteit en acceptatie wisselend, waarbij de vraag opkwam hoe goed de modelresultaten moeten zijn. En wat zou centraal moeten staan? De beschikbaarheid van data, of de meest relevante processen?
Evaluatie van de checklist:
De vragen in (A) die verwijzen naar randvoorwaarden, constanten, etc. horen niet bij een systeemanalyse, maar maken deel uit van een modelevaluatie, en dienen dus te worden verschoven naar vraag 4.
3.5 Conceptueel model Wageningen-model
4A Geef het conceptuele model (voor een model) of ontwerpmodel (voor een bestand). Dit kan bv. een verwijzing naar een rapport zijn. Het conceptuele model legt op relatief informele wijze de relaties tussen componenten vast. Aspecten die aan bod kunnen komen zijn: Welke aannamen en vereenvoudigingen zijn er gemaakt? Wat zijn de ruimtelijke dimensies? Welke ruimtelijk- temporele aggregatieniveaus worden gebruikt? Welke zaken spelen een rol voor het bestand? Wat wordt er voor (des)aggregatie van data gebruikt? Voor modellen: Welk modeltype is gebruikt?
De kern van het model wordt gevormd door een tweetal afvoerprocessen. Een `snel' proces, wat stroming over het oppervlak, door drains, greppels en beekjes etc. representeert, en een `langzaam' proces, wat de (ondiepe) grondwaterstroming naar de hoofdbeek representeert. Deze twee processen worden gevoed door `effectieve' neerslag, die op zijn beurt berekend wordt uit een vereenvoudigde waterbalans van een ondiep bodemvochtreservoir, wat vervolgens verdeeld wordt over deze twee afvoer-processen. De resulterende afvoergolven worden opgeteld.
Kenmerkend voor het model zijn een tweetal terugkoppelingen. Ten eerste is de verdeling van effectieve neerslag over de snelle en langzame afvoerprocessen dynamisch, en wordt gemodelleerd als een functie van de hoeveelheid berging in een grondwaterreservoir (welke gekoppeld is aan de dynamiek van het langzame reservoir). De rationale hierachter is dat als na een langdurige regenbui de grondwaterspiegel stijgt, er relatief meer water via de snelle stroombanen wordt afgevoerd, dan gedurende een drogere periode met minder grondwaterberging.
Een tweede terugkoppeling wordt gevormd doordat onder droge omstandigheden water door middel van capillaire opstijging van het grondwaterreservoir naar het bodem-vochtreservoir stroomt.
Beschouw nu per toepassing
4B Op welke (ruimtelijk- temporeel) aggregatieniveaus zijn antwoorden gewenst, gezien de toepassing? Welke ruimtelijke dimensies en welk modeltype/ontwerpmodel zijn gewenst?
T&B: Vanuit de toepassing Noorderzijlvest (NZV) is een model op polderniveau gewenst. Concrete antwoorden dienen te worden gegeven in de vorm van afvoer naar het hoofdsysteem (de polderboezem).
V&W: Het Wageningen-model wordt gebruikt om inzicht te krijgen in het gedrag van relatief homogene stroomgebieden.
4C Komen de ruimtelijke dimensies, aggregatieniveaus, etc. overeen met diegene die vanuit de toepassing zijn gewenst (ja/matig/niet)?
T&B: Ja, het Wageningen-model is een ruimtelijk geaggregeerd model wat direct op de verlangde schaal kan opereren.
V&W: Nee, want de ruimte aggregatieschaal wordt primair bepaald door aan- en afwezigheid van meetgegevens.
Evaluatie van de checklist:
In (B) wordt niet gevraagd welke mate van dynamiek, terugkoppelingen etc. vanuit de toepassingen acceptabel zijn; in (C) wordt niet gevraagd of de in het model door-gevoerde vereenvoudigingen aan deze voorwaarden kunnen voldoen.
3.6 Gegevens Wageningen-model
5A Welke gegevens zijn benodigd, gezien de toepassing, en motiveer? Wees specifiek m.b.t. resolutie, nauwkeurigheid, schaal, etc., en vermijd algemene en ongemotiveerde opmerkingen als “file X moet gebruikt worden”.
T&B: De gegevens die nodig zijn om het Wageningen-model te draaien (forceringsdata) zijn altijd: neerslag (𝑃) en potentiële evapotranspiratie (𝑃𝐸𝑇). Afvoermetingen (𝑄) zijn nodig t.b.v. kalibratie. Belangrijk is dat 𝑃 en 𝑃𝐸𝑇 op dezelfde tijdstippen beschikbaar zijn. 𝑃 en 𝑃𝐸𝑇 zijn in feite ruimtelijke geaggregeerd over het modeldomein. De onderlinge relatie tussen 𝑃 en 𝑃𝐸𝑇, en het evenwicht daarin, is een aandachtspunt hierbij. De gewenste temporele resolutie van 𝑃, 𝑃𝐸𝑇, en 𝑄 is liefst op uur-basis tot maximaal dagelijks (afhankelijk van de toepassing en het stroomgebied).
V&W: 𝑃, 𝑄, en 𝑃𝐸𝑇 zijn op uur-niveau nodig. Voor 𝑃 wordt het liefst gebruik gemaakt van ruimtelijk verdeelde data. Voor 𝑄 zijn zowel de afvoeren op stroomgebiedsschaal nodig, als per watergang, aangezien er doorgaans antwoorden worden verlangd op deelstroomgebiedsschaal. Van de aanwezige stuwen is het nodig te weten wanneer deze zijn ingezet/aangepast.
Er is niet gekeken naar de gewenste nauwkeurigheid.
5B Welke gegevens zijn beschikbaar, en in welke mate?
T&B: 𝑃 en 𝑃𝐸𝑇 worden doorgaans verkregen door ruimtelijke selectie of interpolatie vanuit landelijke gegevens (meteostations), eventueel gecombineerd met radar-gebaseerde neerslagkaarten. 𝑃𝐸𝑇 is vaak niet beschikbaar op dezelfde (hogere) tijdsresolutie als neerslag; desaggregatie vindt plaats o.b.v. van een aangenomen sinus-vormige dagelijkse gang. Dat dit een relevante bron van onnauwkeurigheid is wordt onderkend.
Afvoermetingen zijn doorgaans afkomstig uit peilmetingen die worden omgerekend tot afvoermetingen, of uit meer directe stroomsnelheidsmetingen, bijvoorbeeld met een (horizontale) ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Ook de betrouwbaarheid van afvoermetingen is een zorgenkind. Aangezien veel waterschappen primair peilbeheerders zijn hebben afvoermetingen niet altijd de prioriteit gehad die ze verdienen, en zijn deze dientengevolge minder betrouwbaar dan gewenst.
Benodigde nabewerkingen op de ruwe data zijn dus interpolatie, synchronisatie en verschaling. Doorgaans wordt de tijdresolutie van afvoermetingen als standaard genomen, en worden 𝑃 en 𝑃𝐸𝑇 hiermee gesynchroniseerd. Uit ervaringen met het Wageningen-model blijkt dat de modelparameters tijdschaalafhankelijk zijn: parameters gekalibeerd met afvoer op uur-basis hebben een andere waarde dan wanneer de kalibratie gebruik maakt van afvoer op dag-basis (dit hier noemen of ergens anders? – zou ook moeten worden onderzocht, en heeft implicaties voor evenwicht).
V&W: Neerslagdata worden verkregen vanuit 10 tot 20 KNMI meetstations. Deze zijn doorgaans op dag-basis, en worden gedesaggegreerd naar uur-data op basis van de dynamiek van 1 meetstation dat op uur-basis meet. Voor 𝑃𝐸𝑇 wordt gebruik gemaakt van 1 KNMI station. Daggegeven worden hier gedesaggegreerd naar uur-data via deling. Met een onderliggend dag-nacht ritme wordt dus geen rekening gehouden, aangezien dat niet relevant wordt geacht. Afvoergegevens zijn op een aantal locaties op uur-basis beschikbaar, en elders enkel op dag-basis. Deze laatste worden gedesaggregeerd naar uur-gegevens.
5C Wat is uiteindelijk de invoer van het model of bestand?
T&B: De uiteindelijke invoer bestaat uit tijdreeksen van 𝑃, 𝑃𝐸𝑇 en eventueel 𝑄, geformatteerd als ASCII tekstbestanden.
V&W: Idem, de modelinvoer wordt gevormd door bewerkte meetgegevens.
5D Komt de invoer overeen met de door de toepassing gewenste gegevens (ja/deels/nee)? Vergelijk de antwoorden op 5A, 5B en 5C. Let hierbij sterk op eenheden en de drie elementen van schaal (coverage, support, extent; zie Bierkens et al, 2000; Bogaart et al, 2011). Heeft de data de juiste dimensies en eenheden? Zo nee, is er een (des)aggregatiemethode voorhanden? Schaalproblemen doen zich overal voor door de ‘vertaling’ van attributen naar metingen, die gediscretiseerd zijn in tijd en ruimte, en onderhevig zijn aan allerlei bronnen van meetruis.
T&B: Dat hangt af van de nabewerking. Doorgaans worden puntmetingen gebruikt als schatter van een gebiedsgemiddelde. Zeker voor hoogfrequente (per uur of korter) neerslaggegevens geldt dat de spatio-temporele variatie dusdanig hoog is dat verplaatsing en opschaling een significante bron van onzekerheid is. Het gebruik van neerslagradar zou hier verbetering in kunnen brengen, maar de markt in neerslagproducten is momenteel te omslachtig om deze data in kleine projecten te gebruiken.
V&W: Nee. tijdreeksen hebben vaak de verkeerde temporele resolutie, en moeten dus worden gedisaggregeerd (wat op zich een foutenbron is), en afvoermetingen zijn vaak op andere locatie dan waarvoor antwoorden verlangd worden.
Evaluatie van de checklist:
Er zou expliciet onderscheidt gemaakt moeten worden tussen de verschillende soorten data: bv. ten behoeve van forcering (bv neerslag), ten behoeve van a priori parameterisering (bv. ruimtelijk gedistribueerde bodemdata), en ten behoeve van kalibratie (bv. de parameters van het Wageningen-model). De centrale vraag hierbij is: stellen de data het model in staat om afdoende aan de eisen vanuit de doelstelling te voldoen? Bij forcering- en ruimtelijke data telt bv. de resolutie en precisie. Bij data ten behoeve van kalibratie telt de vraag of die data voldoende informatie in zich meedraagt zodat de posterior onzekerheden in modelparameters tot acceptabele proporties kunnen worden teruggedrongen. Er spreekt voor zich dat hier een overlap is met Vraag 10 (kalibratie).
3.7 Formeel Wageningen-model
Gebruik de antwoorden op vragen 5A tot 5D om vragen 6B tot 6D te antwoorden.
6A Geef het formeel model, en motiveer de keuze of verwijs naar paginanummers uit een gepubliceerd rapport of artikel. Het formeel model is de omzetting van concept naar bijvoorbeeld wiskundige vergelijkingen of een set rekenregels. De keuze van formeel model hangt af van de beoogde toepassing en de data, en wordt mede bepaald door de gestelde onzekerheidsmarges.
Zoals al opgemerkt, is er niet één uniek Wageningen-model.
Bodemvochtbalans
Het bodemvochtdeelmodel wordt gevormd door een eenvoudig boekhoudschema, waarin per tijdstap de waterbalans wordt bijgehouden, gekwantificeerd als de hoeveelheid bodemvocht 𝑆[𝐿]
